砂鋳造とは何ですか?

1. 導入

砂鋳造は、最も古く、最も多用途の金属形成プロセスの1つとして立っています.

溶融金属を砂ベースの型に強制することにより, ファウンドリーは、シンプルな括弧から複雑なタービンハウジングまですべてを生産しています.

その永続的な関連性は、比類のない適応性に起因します: グラムからオーバーまでの範囲のパーツサイズを処理します 100 トン, ほぼすべての鋳造合金で動作します, コスト効率と設計の自由のバランス.

この記事では、そのメカニズムを探ります, 材料科学, アプリケーション, 競争の激しい風景, エンジニアとメーカーに技術的な深いダイビングを提供します.

2. 砂鋳造とは何ですか?

その核心, 砂鋳造はaに依存しています パターン - 最終部分の正確なレプリカ - 対処します (上半分) そして ドラッグ (下半分).

パターンが位置すると フラスコ, バインダーと混合されたファウンドリーサンド (粘土, 樹脂, または化学硬化剤) それを囲む.

砂が硬化した後, パターンを除去すると、キャビティが金属の準備ができています.

アプリケーションに応じて, ファウンドリは、いくつかの金型タイプを採用しています:

• 緑の砂: シリカ砂の混合物, 粘土 (通常、ベントナイト), と水. 緑色の砂型はオーバーを占めています 70% 低コストと再利用性によるグローバルキャスティングボリュームの.
• 化学的に結合した砂: 樹脂またはフェノールバインダーを使用して、型を作成します 優れた寸法精度 そして表面仕上げ.
• ベークなし (エアセット) 砂: 室温で治療する2成分システム, 大型または複雑なパターンに最適です.

重要な材料:

• シリカ砂 (sio₂): カビ砂の85〜95％を構成します, 高い融点で評価されています (1,713℃) 透過性のために空気を閉じ込める粒状構造.
• バインダー: オーガニック (緑の砂のベントナイト, ノーベークのためのフェノール) または無機 (ケイ酸ナトリウム) 砂粒を結合する; 彼らの選択はカビの強さに影響します, 再利用可能性, 環境への影響.
• 添加剤: 炭素 (金属の浸透を減らします), おがくず (透過性を改善します), そしてデフォーマー (ガスの閉じ込めを最小限に抑えます).

3. 砂鋳造の種類

砂の鋳造は単一のプロセスだけではありません - いくつかの「フレーバーがあります,」それぞれが異なる生産量に合わせて調整されました, 金属タイプ, 複雑, そして、望ましい表面仕上げ.

主なカテゴリはです:

緑の砂鋳造

• カビ材料: シリカ砂の混合物, 粘土 (ベントナイト), 水, そして時々添加物 (例えば. 海炭).
• 特徴:

• • カビは「緑」です (つまり. 水分が含まれています) そして再利用可能.
  • 迅速なターンアラウンドと、低から中程度の生産の実行に非常に費用対効果が高い.
  • 公正な表面仕上げ (それらは200〜400 µtでした).

• 典型的な用途: 自動車部品 (エンジンブロック, シリンダーヘッド), 農業部品, ポンプハウジング.

ドライサンドキャスティング

• カビ材料: その後、焼き上げたり風乾したりして水分を除去する緑の砂型.
• 特徴:

• • 緑色の砂の上の寸法精度と表面仕上げの改善 (それらは約100〜200 µtでした).
  • より良い湿気制御により、ガス欠陥が減少します.
  • より長い金型の準備時間; ミディアムランに最適です.

• 典型的な用途: スチール, ステンレス鋼, よりタイトな許容範囲を必要とする大きな鋳物.

化学的に結合 (ベークなし & コールドボックス) 砂型鋳造

• ベークなし (エアセット):

• • バインダー (フェノール, フランまたはケイ酸ナトリウム + 触媒) 室温で混合.
  • 金型は数分から数時間にわたって硬化します - 暖房は必要ありません.

• コールドボックス (ガス硬化):

• • 金属フラスコに詰められ、アミンガスを渡すことで「硬化」した樹脂でコーティングされた砂.
  • 速い治療 (秒), 優れたカビの強さと細かいディテール.

• 特徴:

• • とても良い表面仕上げ (それらは約50〜100 µdesでした).
  • 高次元精度.
  • バインダーのコストが高くなります; 金型は再利用できません.

• 典型的な用途: 航空宇宙部品, 油圧部品, 楽器ハウジング.

コーティングされた砂鋳造

• プロセス: 砂粒は薄い樹脂層でコーティングされています, 強いものを形成する, 耐熱型.
• 特徴: 優れた表面品質, 高強度, 最小限の歪み.
• アプリケーション: バルブ, ポンプケース, 緊密な許容範囲を必要とする小規模から中規模の部品.

シェルモールディング

• カビ材料: 熱硬化樹脂でコーティングされた細いシリカ砂は、薄い「シェル」を形成します。
• プロセス: 加熱パターンは、厚さ3〜10 mmのシェルを作成します; その後、2つの半分が結合されます.
• 特徴:

• • 優れた表面仕上げ (それらは約25〜75 µWです。).
  • 優れた寸法精度.
  • より高いツールと樹脂のコスト - 大量のランニングに最適.

• 典型的な用途: 高精度の自動車用品, エンジンブロック, ポンプインピーラー.

真空 (Vプロセス) 砂型鋳造

• カビ材料: 気密フラスコに含まれているボンドの乾燥シリカ砂; 真空はパターンに対して砂をしっかりと引きます.
• 特徴:

• • 化学バインダーなし→実質的にガス欠陥はありません.
  • 良い表面仕上げ (それらは75〜150 µtでした).
  • カビの内訳が簡単です (真空をリリースするだけです).
  • 機器の投資は高くなっています; 中から高さのボリュームに適しています.

• 典型的な用途: 航空宇宙用のアルミニウムおよび銅合金鋳物, 防衛, 高品質の産業部品.

4. 砂鋳造の段階的なプロセス

パターンデザイン & 材料の選択:

エンジニアは、一部の複雑さと生産量に基づいてパターンを選択します: プロトタイプ用の木製パターン, 大量の実行用の金属パターン.

3Dスキャンなどのデジタルツールは、精度を確保します, CADソフトウェアは収縮を説明しています (例えば, 1.5% アルミニウム用, 2% スチール用).

カビとコア製造技術

パターンのセットアップ後, 技術者はコープとドラッグでその周りに砂を詰めます.

内部機能用, 彼らは作成します コア - サンド形状は個別に結合し、金型内に配置されます. コアプリント設計により、正しいポジショニングとサポートが保証されます.

組み立て: ゲーティング, ライザー, & 通気口:

カビの半分が結合されます, で ゲーティングシステム (スプルー, ランナー, ゲート) 金属の流れとaを制御するように設計されています ライザー (溶融金属の貯水池) 収縮を補うため.

通気口はガスの逃避を保証します, 気孔率を防ぎます. モダンファウンドリは、計算流体のダイナミクスを使用しています (CFD) これらのシステムを最適化します, 廃棄物を15〜20％減らす.

溶融 & 注ぐ:

灰色の鉄のような金属 (融点1,150°C), アルミニウム (660℃), またはステンレス鋼 (1,400℃) 炉の融点より上に50〜100°Cの加熱されます (鉄のカポラス, 非鉄金属用の誘導炉).

注ぐ速度と乱流は重要です: 速すぎると、酸化物の包有物が危険にさらされます; 遅すぎると不完全な充填が発生します.

冷却, シェイクアウト, & 砂の埋め立て:

固化後 (小さな部品の分, 大規模なキャスティングの時間), 型が壊れています (シェイクアウト), 部分は分離されています.

砂がリサイクルされます: 近代的な施設は、スクリーニングと磁気分離によって砂の90〜95％を取り戻します, 材料費を削減します 30%.

5. 砂鋳造用の一般的な金属と合金

砂の鋳造は、非常に広いスペクトルのエンジニアリング合金を収容します.

Foundriesは、強度に基づいて金属を選択します, 耐食性, 熱安定性, そしてコスト.

テーブル: 砂鋳造で使用される一般的な金属と合金

6. 砂鋳造の利点

低いツールとセットアップコスト

• 砂型は安価です (通常、粘土または化学バインダーで結合したシリカ砂で作られています),
  したがって、初期のツールコストは、永続的なモールドまたはダイキャスティングプロセスと比較して最小限です.
• これにより、砂の鋳造は小さな生産のために特に経済的になります, プロトタイプパーツ, または1回限りのコンポーネント.

部分サイズとジオメトリの汎用性

• 砂の鋳造は、非常に大きなまたは非常に小さな部品を収容できます。.
• 複雑な内部ジオメトリ (アンダーカット, コア, くぼみ) 注ぐ前に砂コアを挿入することで形成できます, 高価なコアメイキングが死ぬことはありません.

幅広い材料

• ほとんどすべての鋳造可能な合金 - 鉄 (例えば, 灰色の鉄, 延性鉄, 鋼鉄) または非鉄 (例えば, アルミニウム, ブロンズ, 銅, マグネシウム) - 砂型で使用できます.
• この柔軟性により、強度に最適な材料を選択できます, 耐食性, または熱特性.

カビ材料の再利用性

• 各キャストサイクルの後, 砂の混合物は再生して複数回再利用できます (多くの場合、95〜98％の回復), 廃棄物と材料コストの削減.
• 現代の再生システム (機械的, 熱, または化学復興) 持続可能性をさらに強化します.

プロトタイプの迅速なターンアラウンド

• ツーリングは単なる分割パターンだからです (多くの場合、木製または3Dプリントされています) 硬化した鋼ではなく, 金型の準備は高速です。デザインの反復のためのideal.
• エンジニアは、数週間ではなく数日でCADモデルから物理的な部分に移動できます, 製品開発サイクルの加速.

7. 制限事項 & 砂鋳造の技術的課題

表面仕上げが比較的不十分で、寸法精度

• 砂粒キャスティング面に粗いテクスチャを作成する, 多くの場合、強烈な許容範囲を満たすために追加の機械加工または仕上げが必要です.
• 典型的な公差は、小さな部品で±0.5〜1.5 mm、より大きなセクションで±1.5〜3.0 mmです, これは、ダイキャスティングや投資キャスティングよりも正確ではありません.

欠陥のリスクが高い

• 気孔率: 型に閉じ込められたガスまたは固化中に生成されたガスは、金属に毛穴を形成する可能性があります, 部品を弱める.
• 砂の包含: ゆるい砂粒はカビの壁から溶融金属に侵食される可能性があります, ハードスポットや表面の傷を引き起こします.
• ミス & コールドシャット: 不十分な金属の流れや早期凝固は、不完全な充填につながるか、金属に結合する可能性があります.

より長い生産サイクル時間

• 各鋳造には金型の準備が必要です (パッキング, コア設定, 金型アセンブリ) そして、投票後のシェイクアウト, これは、自動化された高圧プロセスよりも時間がかかります.
• 厚いセクションや大規模なセクションでは、冷却時間はかなりの場合があります, 全体的なスループットを遅くします.

労働集約的なプロセス

• 多くの操作 - 実現しています, コア設定, フェットリング - 熟練した肉体労働による, 人件費の増加とバッチ間の変動.
• 自動化は可能ですが、砂ベースのシステム用に実装するのに多くの場合費用がかかります.

環境と健康の懸念

• カビの取り扱い中のシリカ粉塵への暴露は、厳密な粉塵制御の測定が行われない限り、呼吸危険をもたらします.
• 砂の成形と使用済み化学的バインダーは、土壌や水の汚染を避けるために取り戻すか処理する必要がある廃棄物の流れを生成します.

非常に薄いセクションの制限

• 薄い壁 (<3–4 mm) 砂が細かい詳細を支えていないかもしれないので挑戦的です, そして、金属は型を完全に満たす前に冷やして固化する可能性があります.
• 薄いセクションと良好な表面定義の両方を達成するには、多くの場合、ダイキャスティングや投資キャスティングなどの代替プロセスが必要です.

8. 砂鋳造の重要なアプリケーション

自動車産業

• エンジンブロック, シリンダーヘッド, トランスミッションのケース, ブレーキコンポーネント, サスペンション部品.

航空宇宙 & 防衛

• タービンハウジング, エンジンマウント, 構造括弧, ミサイルコンポーネント, 航空機着陸装置部品.

エネルギー & 発電

• タービンケース, ジェネレーターフレーム, ポンプハウジング, 石油およびガス装置用のバルブボディ, 水力発電成分.

工事 & 重機

• 管継手, バルブコンポーネント, 構造鋼部品, 建設機器用のエンジンコンポーネント, 農業機械部品 (例えば, トラクターハウジング).

産業機器

• ポンプおよびコンプレッサーケーシング, ギアボックス, 工作機械のベース, 頑丈なブラケット, 産業用バルブ機.

海洋 & 造船

• プロペラハブ, エンジン部品, 船上機械部品, およびマリンポンプハウジング.

一般製造業

• 芸術的なキャスティング, カスタム機械部品, 大規模な構造コンポーネント, 製品開発のプロトタイプ.

カスタムプロトタイプと少量生産

ついに, 砂鋳造は、迅速なプロトタイピングと小型バッチ作業に優れています.

設計チームが機能的な金属プロトタイプを必要とする場合 - 人間工学や現実世界の負荷の下でのフィールドテストの検証のために、鋳造はパーツを提供します 3–5日, に比べ 2–4週 永久型用.

その最小限のツールコスト (多くの場合 $200 パターンごと) ロボット工学全体のパイロットランや専門的なアプリケーションに最適です, 医療機器, オーダーメイドの機械.

9. 代替鋳造プロセスとの比較

エンジニアが鋳造方法を評価するとき, それらのような要因を比較検討します パーツの複雑さ, 表面仕上げ, 寸法耐性, ツーリングコスト, そして 生産量.

下に, 広く使用されている2つの代替品と砂鋳造を比較します - インベストメント鋳造 そして ダイカスト.

砂の鋳造を選ぶとき？

• 低い- ミッドボリューム生産まで: 下に 10,000 部品, 砂の低いツールアウトレイは、パートあたりのコストを最小限に抑えます.
• 大きな部品または重い部品: コンポーネントオーバー 50 kg または最大 50 トン 砂型のみ.
• 特別な合金 & 高温材料: 砂型はステンレスを扱います, スーパーアロ, そして、死ぬ懸念なしにアイアンを投げかけます.
• 迅速なプロトタイピングまたは設計反復: 3Dプリントされたパターンとクイックカビの変更リードタイムを数日にスラッシュ.
• 複雑な内部ジオメトリ: 砂コアは、高価なツーリングの変更なしに深い空洞とアンダーカットを生成します.

10. 結論

砂鋳造はaとして耐えます 基礎 製造方法, バランス 経済, 多用途性, そして スケーラビリティ.

デジタルデザインを統合することにより, 高度なバインダー化学, リアルタイムの品質管理, 今日のファウンドリは、信頼できる伝統的な制限を克服します, 業界全体の複雑な鋳造.

持続可能性と迅速なプロトタイピングの圧力が高まるにつれて, 砂鋳造のユニークな組み合わせ エントリーコストが低い, 材料の柔軟性, そして サイズ機能 将来の継続的な関連性を確保します.

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よくある質問

サンドキャストパーツの典型的なサイズの範囲は何ですか?

部品は、小さなコンポーネントからの範囲です (例えば, 括弧) 非常に大きな構造に (例えば, 船のプロペラ), 数トンの重さの部品を鋳造できるいくつかのファウンドリー付き.

砂鋳造の一般的な表面仕上げの問題は何ですか?

部品は砂型のために粗い表面のテクスチャーを持っている可能性があります. 機械加工のようなキャスティング後のプロセス, 研削, または、爆破は仕上げを改善するためによく使用されます.

砂鋳造は大量生産に使用できます?

砂鋳造は、低から中程度のボリュームで実行可能です, サイクル時間が短くなり、カビの耐久性が高いため、ダイキャスティングなどの方法で大量生産がより費用対効果が高い場合があります.

砂鋳造はプロトタイピングに適しています?

はい, 砂鋳造は、ツールコストが低く、機能的な部品を迅速に生産する能力のために、プロトタイプによく使用されます。, 複雑なデザインでも.

砂鋳造でコアはどのように使用されていますか?

コア (砂または樹脂で作られています) キャスティングに内部空洞または機能を形成します.

それらは注ぐ前に型に置かれ、固化後に除去されます, 多くの場合、振動または融解を介して.